想了解飛行及學飛的人一定會接觸最基本的飛行原理,飛航的空氣動力學是其中一門必學的科目。


 


而談到飛行的原理,其中一節便是提到『Adverse yaw』,即反向偏航。


 


一般飛機會採取壓機翼側傾來完成轉彎的動作。要使機翼產生側傾,即需使用副翼折流以得到需要的作用力,左右側相對的力量對機身長軸即會造成旋轉的力矩。


 


一般飛行的轉向動作,除了側傾外,還需要調整方向舵 (Rudder) 來產生適當的偏航力矩以使機鼻朝著轉彎的方向,這是為了防止飛機轉彎時所產生的Skid / Slip,也叫協調轉向 (Coordinated Turn)


 


不過,傳統的飛機在進行副翼操作時,由於往下的副翼得到升力後會同時誘引出阻力 (Induced drag),因此會讓該側的機翼產生一相反於轉彎方向所需要之偏航力矩,這個力矩恰好使機鼻反著轉彎的方向,因此被稱『反向偏航-Adverse Yaw』。例如:右轉的飛機,機鼻應朝右側使飛機可以協調轉向來完成轉彎的動作,但機翼轉向時產生的不平衡力引發『反向偏航』卻使機鼻朝向左側。


 


當初看到這段解說時,實在不解何以產生升力的機翼阻力會變大。副翼的操作,同時動作但方向相反 (A),產生升力一側固然引發阻力,但機翼下壓的那側不也是產生一樣的阻力 (或是有人稱之負升力所引起的阻力)。那為何會有所謂的『反向偏航』呢?百思不解的同時,只能問人 看更多的資料才能找到答案了。


 


經過一番內化及思索,終於找到了說服自己的方式。


 


其實從維基百科上便能得到足夠的資訊,加上有圖說明 (F),也才能了解何因致此。


 


正常狀況下,升力應是垂直於氣流方向。當副翼向下操作時,因翼面相對於氣流所產生的夾角,便會產生一垂直於副翼翼面的的合力,而這一個衍生出的向量可再細分成水平及垂直的分力。垂直向的分力便是飛行員需要的『升力(Lift)』,而水平的分力則是『Drag-阻力』。


 


在繼續下一段筆記前,仍然得再解釋一下機翼上升的原理。『白努利定律』是升力的來源,機翼的剖面如圖上右上角的圖 (E) 所示,通過機翼上緣的氣流因曲面的關係以較高的流速通過翼面,而翼面下緣則沒有曲面而使流速降低。根據『白努利定律』,流速高則壓力低,因此機翼上方及下方便會因流速不同而產生壓力差。


 


有兩種對下壓側機翼的說法,但都來自於『白努利定律』:


 


1.      如圖 (F),右側機翼的副翼翹起,因機翼的升力作用在副翼上而形成藍色力系,其中水平分力便是『反向偏航』的力矩,但是由於分力向著飛機飛行的方向,因此不能夠說他是『阻力』,反而是順著飛行方向的『推力』,但與對面的機翼所產生的『阻力』形成力偶而使之具『反向偏航』的力矩。但即然副翼翹起,即對機翼產生負升力而使其下壓,所以以機翼升力作用在上翹的副翼上實在不是一個很容易接受的說法。不過就維基百科的定義好像也確是如此。…???


 


2.      根據圖上右側機翼翹起的副翼,比較合理的解釋也許可以是;因為機翼上方的風壓比下方的壓力還來得小,因此即便令右副翼翹起而使之獲得下壓的力量 (即使與左副翼的動作角度一樣),也會因風壓較小而得到較小的向量,和左側的力量比起來便是造成不平衡的主因。如圖右副翼的紅色力系所示,而水平方向的分力就是『阻力』了。大部分的人會認為左右側的副翼動作時,所受到的阻力應相同,所以應不會產生『反向偏航』的問題。但實際因機翼剖面不對稱之因素所造究出來的壓差效應,對相反方向之副翼而言,即使角度相同,也會造成不同的力量。


 


還有另一種定義更簡明扼要;順著機翼的型狀,向下的副翼比翹起的副翼具更大的Camber (傾角-也許是攻角”) 改變量,因此可以得到更大的升力,當然引發的阻力也會變大,而翹起的那側反而是減少了機翼攻角,因此升力沒像向下的副翼大,當然阻力就變小了。我想回歸機翼構造,總而言之,就是不對稱所造成的結果。


 


『反向偏航』的效應特別在機翼擁有更高的『升力係數』時容易產生 (不平衡的力量越大),同時為克服平飛時物體運動的慣性,轉彎起始及結束的點都是『反向偏航』最明顯的時候,飛行員此時要做的當然也不是任由飛機擺佈,而是踩舵提供額外的偏航力矩使飛機乖乖的順著轉彎的方向擺頭。


 


良好的飛行穩定性 (或直行穩定性),是克服偏航主要的方法。為了解決『反向偏航』的問題,飛機的設計者想出了幾種可以克服此問題的對策。


 


1.      差動式副翼操作-Differential Deflection Ailerons(不知道是不是這樣翻譯) B圖所示,同時動作的副翼,除了方向不同外,工作角度也不同。下壓側的副翼 (別看錯,是B圖下方副翼) 因容易加大機翼攻角而產生阻力 (機翼下方的壓力較大),因此動作角度較小,而上翹側之副翼 (B圖上方的那一個) 工作角度則較大,如此可產生與對向相同的『阻力』防止『反向偏航』 (機翼上方的壓力較小,需要更大的角度)。或者是用更單純的想像,如果僅將下壓側機翼的副翼翹起,而另一側的副翼不作動,勢必也可克服『反向偏航』的問題。不過這樣可能會使轉彎的效率大受影響。


 


2.      Frise Ailerons(實在不知道該如何翻譯) 副翼具有一額外提供阻力的設計,當副翼上翹時 (C圖可看出)。上翹的副翼,其前緣有一小部份突出機翼與迎向的氣流接觸。藉由這種產生阻力的方式使力系逹到平衡而不致產生偏航的力矩。這種設計只在副翼上翹時會作用 (圖畫得不像,應該修正)。但因為刻意造成『阻力』,且甚至會比協調轉向時操作尾舵的阻力還來得大,對滾轉速率及飛行實在一點益處也沒有,因此不受航空界之青睞。


 


3.      減速板輔助滾轉-Roll Spoilers:這是一種大型民航機採用的方式。他的方法簡單,道理也易懂。下壓側的機翼除了上翹的副翼外,還會有『減速板』(Spolier)做輔助 (D圖所示)。如上文所提,上升的機翼比下壓的機翼產生更大的誘引阻力 (Induced Drag),因此會有不平衡力的產生,但如果用『減速板』的作用,便能提供相當的阻力以把機鼻拉回來,不但可以平衡轉向時的力量,更能因為『減速板』的動作獲得更大的下壓力而使滾轉效率變得更好。這種操作明顯有效,可謂『一兼二顧』。但實際運用在大型民航機的操作上,『減速板』動作有其程度之分,『飛行電腦』會根據飛行員操作的角度或所感應到的數據適當的動作Spoiler,而非全行程作動。


 


飛行,因為比其他運動物體有更多的自由度,因此其運動的行為實在足以讓人好好的鑽研。『反向偏航』的效應,只是基礎飛行中的第一門課,要把正確的觀念建立才能進一步接受下一個飛行知識的吸收。


 

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